物理学史,历史上最有影响的100人

  13.伽俐留·伽俐略
[美]迈克尔·H·哈特 著 苏世军 周宇 译

主要贡献 伽利略的主要贡献可分下列三个方面:

公元 1564~公元1642

①力学

伟大的意大利科学家伽俐留·伽俐略对科学方法论的创立也许比任何其他个人所做出的贡献都大。他1564年生于意大利比萨市,年轻时就读比萨大学,但由于经济拮据,中途辍学。1589年他在该校找到了一个教书的职业。几年后他正式在帕尤尔大学任教,一直到1610年。他的大多数科学发现就是在此期间做出的。

伽利略是第一个把实验引进力学的科学家,他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。1582年前后,他经过长久的实验观察和数学推算,得到了摆的等时性定律。接着在1585年因家庭经济困难辍学。离开比萨大学期间,他深入研究古希腊学者欧几里得、阿基米德等人的著作。他根据杠杆原理和浮力原理写出了第一篇题为《天平》的论文。不久又写了论文《论重力》,第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的数学表达式,因此声名大振。与此同时,他对亚里士多德的许多观点提出质疑。

伽俐略最初的重大贡献是在力学领域内做出的。亚里士多德教导说,重物体比轻物体下落的速度要快些。由于这位希腊哲学家的绝对权威,世世代代的学者都接受了他的论断。但是伽俐略却决定对它加以验证,通过一系列的实验,他很快发现亚里士多德错了。事实上若没有空气的摩擦阻力,重物体和轻物体下落的速度相同(顺便说一句,有关伽俐略在比萨斜塔上所做的物体下落实验的传说似乎是毫无根据的)。发现这一规律后,伽俐略又采取了下一步骤,他仔细测量了下落的物体在给定时间内所通过的距离后,发现一个下落的物体经过的距离与它下落所用的时间秒数的平方成正比。这一发现本身意味着一个恒定的加速度,具有重要的意义,但更重要的是伽俐略能用一个数学公式概括出一系列实验的结果。广泛使用数学公式和数学方法是现代科学的一个重要特征。

在1589~1591年间,伽利略对落体运动作了细致的观察。从实验和理论上否定了统治千余年的亚里士多德关于“落体运动法则”确立了正确的“自由落体定律”,即在忽略空气阻力条件下,重量不同的球在下落时同时落地,下落的速度与重量无关。根据伽利略晚年的学生V.维维亚尼的记载,落体实验是在比萨斜塔上公开进行的:1589年某一天,伽利略将一个重
10磅,一个重1磅的铁球同时抛下,几乎同时落地,在场的竞争者个个目瞪口呆,在大笑中耸耸肩走了。但在伽利略的著作中并未明确说明实验是在比萨斜塔上进行的。因此近年来对此存在争议。

伽俐略的另一个主要贡献是他发现了惯性定律。在此以前人们认为在没有外力的作用下,一个正在运动的物体必然要逐渐减速,最后停下来。但是伽俐略的实验表明这个普遍的认识是错误的。如果没有阻力,如摩擦力的作用,一个物体会无限地继续运动下去。牛顿明确地重申了这一重要原理,并把它作为第一运动定律并入自己的体系中,它是物理学中的重要定律之一。

伽利略对运动基本概念,包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出,在力学史上是一个里程碑。有了加速度的概念,力学中的动力学部分才能建立在科学基础之上,而在伽利略之前,只有静力学部分有定量的描述。

澳门太阳2007网址 ,伽俐略最著名的发现是在天文学领域中做出的。在17世纪初期天文学说处于十分混乱的状态,哥白尼的日心说的追随者和古老的地心说的拥护者之间进行着一场激烈的论战。早在1604年伽俐略就宣布他认为哥白尼是正确的,但是当时无法证明。1609年伽俐略听到荷兰发明了望远镜的情况,虽然他对这种装置只能做出蜻蜓点水的描述,但是他凭借自己独特的天赋,很快就亲手制成一台特别高级的望远镜。有了这台望远镜,他就可以利用自己的观察天才来探索太空,仅在一年之内就做出了一连串的重大发现。

伽利略曾非正式地提出过惯性定律和外力作用下物体的运动规律,这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上,伽利略可说是牛顿的先驱。

通过观察,他看到月亮不是一个光滑的球体,它的表面矗立着无数座火山口和高山。于是他得出结论说从总体来看,天体不是平滑完美的,而是和地球同样,具有凸凹不平的表面。通过观察,他看到从整体来讲银河并不是一片银色的云体,而是由众多的个体星星组成的,这些星星距离我们如此遥远以致用肉眼看上去就成了模糊的一片。通过对行星的观察,他发现有些环带包围着土星,有四个卫星绕着木星运行。这显然说明了地球以外的行星周围也可能会有运行的天体。通过观察他发现了太阳黑子(事实上在他以前就有人观察到了太阳黑子,但是他公布的观察结果更有说服力,因而引起了科学界的重视)。他发现金星这颗行星的盈亏和月亮的盈亏十分相似。这对于说明地球和所有其他行星都绕太阳运行的哥白尼学说是一项重要的证据。

伽利略还提出过合力定律,抛射体运动规律,并确立了伽利略相对性原理.
伽利略在力学方面的贡献是多方面的。这在他晚年写出的力学著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中有详细的描述。在这本不朽著作中,除动力学外,还有不少关于材料力学的内容。例如,他阐述了关于梁的弯曲试验和理论分析,正确地断定梁的抗弯能力和几何尺寸的力学相似关系。他指出,对长度相似的圆柱形梁,抗弯力矩和半径立方成比例。他还分析过受集中载荷的简支梁,正确指出最大弯矩在载荷下,且与它到两支点的距离之积成比例。伽利略还对梁弯曲理论用于实践所应注意的问题进行了分析,指出工程结构的尺寸不能过大,因为它们会在自身重量作用下发生破坏。他根据实验得出,动物形体尺寸减小时,躯体的强度并不按比例减小。他说:“一只小狗也许可以在它背上驮两三只同样大小的狗,但我相信一匹马也许连一匹和它同样大小的马也驮不起。”

望远镜的发明及由此而做出的一系列发现使伽俐略闻名遐迩。但是他却由于支持哥白尼学说而遭致了有势力的教会的反对,1616年他被下了一道禁令,不准讲授哥白尼学说。这道禁令好儿年未解除,使他不胜烦恼。1623年教皇死了,他的继位人是伽俐略的崇拜者。翌年这位新教皇乌尔班八世暗示说(虽然有点含糊其词),对伽俐略的禁令已告无效。

②天文学

在随后的六年中伽俐略写出了他的最有名的著作《两个主要世界体系之间的对话》。该书巧妙地说明了支持哥白尼学说的证据,于1632年得到教会监察吏的许可后出版发行。但是教会的权威人士对该书的出版感到愤怒,伽俐略很快就受到罗马宗教审判所的审判,指责他违反了1616年禁令。

他是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。这些成果包括:发现月球表面凹凸不平,木星有四个卫星,太阳黑子和太阳的自转,金星、木星的盈亏现象以及银河由无数恒星组成等。他用实验证实了哥白尼的“地动说”,彻底否定了统治千余年的亚里士多德和托勒密的“天动说”。

似乎很明显,许多牧师对于迫害这位杰出的科学家的决定表示不满。既使根据当时的教会法,对指控伽俐略的案件也会有争议,对他的判刑是比较轻的,事实上他根本没有坐牢,而只是被软禁在他的阿西特利的舒适的别墅里。按规定不允许他会客,但是实际上这条判决规定并没有加以实施。他所受到另外唯一的惩罚是要求他公开收回他的地球绕太阳运行的观点。这位六十九岁的科学家公开收回了他的这一观点。有一个有名的也许是不可靠的故事说,他收回自己的观点后,俯视地球,喃喃自语:“它仍在运行。”在阿西特利,他继续写力学专著。他于1642年在那里去逝。

③哲学

伽俐略对科学发展所做出的巨大贡献长期以来就已被确认。他的重要贡献就在于他的科学发现,如惯性定律,望远镜,天文观测及确立哥白尼假说的天赋。更重要的是他在创立科学方法论中所起的作用。在此之前,大多数自然科学家都在受亚里士多德的启迪,先对事物定性观察,再划分类别。然而伽俐略则先对事物加以研究,再做定量观察。这种对仔细做定量测量的强调从那以来就成为科学研究的一个基本特征。

他一生坚持与唯心论和教会的经院哲学作斗争,主张用具体的实验来认识自然规律,认为经验是理论知识的源泉。他不承认世界上有绝对真理和掌握真理的绝对权威,反对盲目迷信。他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性,这些观点对发展唯物主义的哲学具有重要的意义。但由于历史的局限性,他强调只有可归纳为数量特征的物质属性才是客观存在的。

伽俐略对科研的经验方法的创立所做出的贡献也许比任何其他人都大。是他首先坚持做实验的必要性。他摒弃通过信赖权威──不管是教会的布告还是亚里士多德的命题──来解决科学问题的观念,摒弃在没有可靠的实验基础上对进行复杂推理的方法的信赖。中世纪的学者们滔滔不绝地讨论应该发生什么事情及其发生的原因,但是伽俐略却坚持通过实验来确定实际发生了什么。他的科学观显然没有神密色彩,从这方面来看,他甚至比他的一些晚辈人如牛顿更先进些。

伽利略因为支持日心说入狱后,“放弃”了日心说,他说,"考虑到种种阻碍,两点之间最短的不一定是直线",正是因为他有这样的思想,暂时的放弃换得永远的支持,没有像布鲁诺那样去为科学的真理而牺牲,但却可以为科学继续贡献自己的力量。

人们也许知道伽俐略是一位笃信宗教的人。尽管他受到了审判和定罪,但是他并没有放弃宗教信仰,也没有脱离教会。后代人羡慕伽俐略,把他看作是反对教条主义和反对权威扼杀思想自由的象征,这是完全正确的。但是,他在创立科学方法中所起的作用则具有更重要的意义。

科学发现

古希腊在物理学说方面有两大学派,一派以哲学家亚里士多德为代表,另一派则以自然科学家阿基米德为代表。两人皆是古代希腊蓍名的学者,但由于两人的观点和方法不同,其科学结论也就各异,并形成了鲜明的对立。亚里士多德学派的观点基本是唯心的,他是凭主观思考和纯推理方法作结论的,所以是充斥着谬误。而阿基米德学派的观点基本是唯物的,他完全依靠靠科学实践方法得出结论。

然而从11世纪起,在基督教会的扶持下,亚里士多德的著作得到了经院哲学家的重视,他们排斥阿基米德的物理学,把亚里士多德的物理学奉为经典,凡违反亚里士多德物理学的学者均被视为“异端邪说”。但伽利略却对亚里士多德的物理学抱怀疑态度,相反他特别重视对阿基米德物理学的研究,他重视理论联系实际,注意观察各种自然现象,思考各种问题。在伽俐略十八岁那年,一次到比萨教堂去做礼拜,他注意到教堂里悬挂的那些长明灯被风吹得一左一右有规律地摆动,他按自己脉搏的跳动来计时,发现它们往复运动的时间总是相等的。就这样他发现了摆的等时性,后来荷兰物理学家惠更斯根据这个原理制成挂摆时钟,人们称之为”伽利略钟”。

伽利略根据阿基米德的学说,作了迅速确定合金成分的流体静力天平的研究,发明了可以测定物质

密度的”小天平”,写出了名为《小天平》的论文。后来他又潜心研究了物体重心的几何学,于1588年发表了《固体的重心》的论文,引起学术界的注意。第二年,在友人的推荐下,被比萨大学聘任为数学教授。

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